本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體激光領(lǐng)域，具體涉及一種可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體激光器(Semiconductor Laser，SL)自問世以來，其非線性動(dòng)力學(xué)行為及應(yīng)用一直受到相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注。特別的，在適當(dāng)?shù)恼T導(dǎo)條件下SL可以輸出帶寬達(dá)數(shù)GHz以上的寬帶激光混沌信號(hào)。目前，這類激光混沌已經(jīng)在高速遠(yuǎn)程保密光通信、超高速率隨機(jī)數(shù)獲取，高精度混沌雷達(dá)等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。在保密通信領(lǐng)域，2005年《Nature》報(bào)道了在120km商用光通信網(wǎng)絡(luò)中的激光混沌通信現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了1Gbs-1信號(hào)的有效隱藏，長(zhǎng)距離保密傳輸和10-7誤碼率的信號(hào)解調(diào)，顯示了激光混沌在保密通信領(lǐng)域的誘人前景。在超高速率隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方面，2008年《Nature Photonics》報(bào)道了基于兩組外腔延時(shí)反饋半導(dǎo)體激光器(External Cavity Feedback Semiconductor Laser,ECF-SL)系統(tǒng)來獲取Gbs-1超高速隨機(jī)數(shù)的方案，表明了基于SL的激光混沌可極大地提高隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的性能。另外，在混沌雷達(dá)方面，基于SL的寬帶激光混沌雷達(dá)，具有測(cè)量精度高、雜波抑制能力強(qiáng)、低截獲概率和高抗干擾等顯著優(yōu)勢(shì)。

然而，為了在SL中產(chǎn)生寬帶激光混沌，通常會(huì)在SL外引入延時(shí)反饋量，目前絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)道SL激光混沌系統(tǒng)都基于的ECF-SL方案。而ECF-SL系統(tǒng)的混沌輸出通常均包含了明顯的延時(shí)信息。這種延時(shí)信息在混沌保密通信和隨機(jī)數(shù)獲取中都是不希望出現(xiàn)的。首先在混沌保密通信系統(tǒng)中，延時(shí)信息給竊密者提供一個(gè)可能的破解線索，利用先進(jìn)的混沌分析技術(shù)，使混沌系統(tǒng)的重構(gòu)成為可能。其次在超快隨機(jī)數(shù)應(yīng)用中，激光混沌的延時(shí)信息會(huì)給隨機(jī)數(shù)序列引入周期回歸特征，從而嚴(yán)重影響隨機(jī)數(shù)的統(tǒng)計(jì)性能。因此，為了提高隨機(jī)數(shù)序列的統(tǒng)計(jì)性能和確?；煦绫Ｃ芡ㄐ畔到y(tǒng)的安全性，延時(shí)信息的消除就顯得尤為重要?；诖?，2008年A.Uchida等人構(gòu)建了兩組ECF-SL系統(tǒng)，使用邏輯‘異或’(exclusive-OR,XOR)操作來消除信號(hào)的周期回歸特征。2009年，I.Reidler等人提出利用最低有 效位(Least Significant Bits,LSBs)的邏輯運(yùn)算方法來消除延時(shí)信息。2010年I.Kanter等人進(jìn)一步提出了采用高達(dá)15階的LSBs運(yùn)算來消除延時(shí)信息并提升隨機(jī)數(shù)碼率。在上述方案中，都是使用了邏輯運(yùn)算來消除延時(shí)信息。然而，由于電子器件的速率瓶頸，實(shí)際制造上述方案所需的超高速邏輯運(yùn)算器件成本昂貴，邏輯運(yùn)算的使用也導(dǎo)致該隨機(jī)數(shù)的來源不是純粹的物理過程，在真隨機(jī)性方面值得商榷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有邏輯運(yùn)算來消除延時(shí)信息方法的所需超高速邏輯運(yùn)算器件成本昂貴，邏輯運(yùn)算的使用也導(dǎo)致該隨機(jī)數(shù)的來源不是純粹的物理過程，在真隨機(jī)性方面值得商榷等問題，本實(shí)用新型提出了一種可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)。

本實(shí)用新型提出的一種可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)，其特征在于，包括：

第一半導(dǎo)體激光器、第一顯微物鏡、第一分束鏡、第一反射鏡、第一測(cè)試儀器、第二反射鏡、偏振控制器、可變衰減器、第三反射鏡、第二分束鏡、第四反射鏡、第二測(cè)試儀器、第二顯微物鏡及第二半導(dǎo)體激光器；

其中，所述第一半導(dǎo)體激光器發(fā)出帶有信息的第一光信號(hào)經(jīng)過所述第一顯微物鏡準(zhǔn)直后變?yōu)槠叫泄馐唤?jīng)過所述第一分束鏡分為第一平行光束和第二平行光束；所述第一平行光束經(jīng)過所述第二反射鏡、所述偏振控制器、所述可變衰減器、所述第三反射鏡、所述第二顯微物鏡后注入所述第二半導(dǎo)體激光器中，以將所述第一半導(dǎo)體激光器發(fā)出的第一光信號(hào)耦合進(jìn)所述第二半導(dǎo)體激光器；所述第二平行光束經(jīng)所述第一反射鏡注入到所述第一測(cè)試儀器進(jìn)行記錄和分析；所述第二半導(dǎo)體激光器發(fā)出的第二光信號(hào)耦合進(jìn)所述第一半導(dǎo)體激光器。

進(jìn)一步的，還包括氣墊，所述可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)的其他設(shè)備均設(shè)置于所述氣墊上。

進(jìn)一步的，所述偏振控制器為可調(diào)節(jié)的來使所述第一半導(dǎo)體激光器和第二半導(dǎo)體激光器的偏振狀態(tài)保持一致的偏振控制器。

進(jìn)一步的，所述第一半導(dǎo)體激光器和第二半導(dǎo)體激光器的耦合強(qiáng)度為注入光功率和輸出光的光功率之間的比值；所述可變衰減器和所述第一半導(dǎo)體激光器和 第二半導(dǎo)體激光器的光功率計(jì)為可調(diào)節(jié)的來使所述第一半導(dǎo)體激光器和第二半導(dǎo)體激光器互耦合的可變衰減器和光功率計(jì)。

進(jìn)一步的，所述第一測(cè)試儀器和第二測(cè)試儀器的型號(hào)為Ando AQ6317C。

進(jìn)一步的，所述第一半導(dǎo)體激光器、第一顯微物鏡、第一分束鏡、第二分束鏡、第二顯微物鏡及第二半導(dǎo)體激光器相互平行；所述偏振控制器、所述可變衰減器都與所述第一半導(dǎo)體激光器互相垂直；所述第一至第四反射鏡與所述第一半導(dǎo)體激光器的夾角為45度或135度。

本實(shí)用新型的有益效果為可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)中激光混沌的延時(shí)信息可以被有效抑制，延時(shí)信息可被抑制到背景噪音水平，以純物理的方式實(shí)現(xiàn)激光混沌的延時(shí)信息抑制，成本低廉。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)一實(shí)施方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本實(shí)用新型可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)中的光信號(hào)混沌輸出圖。

圖3為本實(shí)用新型可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)中的光信號(hào)混沌時(shí)間序列函數(shù)圖。

圖4為本實(shí)用新型可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)中的光信號(hào)混沌輸出圖。

圖5為本實(shí)用新型可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)的延時(shí)信息消除后的混沌時(shí)間序列和對(duì)應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)曲線圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型借助兩個(gè)半導(dǎo)體激光器之間的互耦機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了雙路激光混沌信號(hào)的延時(shí)信息同時(shí)消除。利用自相關(guān)函數(shù)和互信息函數(shù)對(duì)混沌信號(hào)的延時(shí)信息進(jìn)行分析，顯示了在合適參數(shù)下實(shí)現(xiàn)激光混沌信號(hào)的延時(shí)信息并行消除。

圖1為本實(shí)用新型可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)10一實(shí)施方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖中，10為可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)，12為第一半導(dǎo)體激光器，14為第一顯微物鏡，16為第一分束鏡，18為第一反射鏡，20為第一測(cè)試儀器，22為第二反射鏡，24為偏振控制器，26為可變衰減器，28為第三反射 鏡，30為第二分束鏡，32為第四反射鏡，34為第二測(cè)試儀器，36為第二顯微物鏡，38為第二半導(dǎo)體激光器。

請(qǐng)參閱圖1，為本實(shí)用新型可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)一實(shí)施方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在本實(shí)施方式中，可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)10包括：第一半導(dǎo)體激光器12、第一顯微物鏡14、第一分束鏡16、第一反射鏡18、第一測(cè)試儀器20、第二反射鏡22、偏振控制器24、可變衰減器26、第三反射鏡28、第二分束鏡30、第四反射鏡32、第二測(cè)試儀器34、第二顯微物鏡36及第二半導(dǎo)體激光器38。

第一半導(dǎo)體激光器12發(fā)出帶有信息的第一光信號(hào)經(jīng)過第一顯微物鏡14準(zhǔn)直后變?yōu)槠叫泄馐?，?jīng)過第一分束鏡16分為第一平行光束和第二平行光束。第一平行光束經(jīng)過第二反射鏡22、偏振控制器24、可變衰減器26、第三反射鏡28、第二顯微物鏡36后注入第二半導(dǎo)體激光器38中，以將第一半導(dǎo)體激光器12發(fā)出的第一光信號(hào)耦合進(jìn)所述第二半導(dǎo)體激光器38。第二平行光束經(jīng)第一反射鏡18注入到第一測(cè)試儀器20進(jìn)行記錄和分析。第二半導(dǎo)體激光器38發(fā)出的第二光信號(hào)耦合進(jìn)第一半導(dǎo)體激光器12。在本實(shí)施例中，相同原理，第二半導(dǎo)體激光器38發(fā)出的第二光信號(hào)反向耦合進(jìn)第一半導(dǎo)體激光器12，從而實(shí)現(xiàn)了第一半導(dǎo)體激光器12和第二半導(dǎo)體激光器38的延遲互耦合。第一半導(dǎo)體激光器12和第二半導(dǎo)體激光器38的部分輸出光信號(hào)經(jīng)過第一和第二分束鏡后，最終注入到第一和第二測(cè)試儀器中進(jìn)行記錄和分析。

在本實(shí)施方式中，第一半導(dǎo)體激光器12、第一顯微物鏡14、第一分束鏡16、第二分束鏡30、第二顯微物鏡36及第二半導(dǎo)體激光器38相互平行。偏振控制器24、可變衰減器26都與第一半導(dǎo)體激光器12互相垂直。第一至第四反射鏡與第一半導(dǎo)體激光器12的夾角為45度或135度。

在本實(shí)施例中，可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)10還包括氣墊(未標(biāo)注)，可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)10的其他設(shè)備均設(shè)置于氣墊上，防止環(huán)境振動(dòng)帶來的影響。通過調(diào)節(jié)偏振控制器24來使第一半導(dǎo)體激光器12和第二半導(dǎo)體激光器38的偏振狀態(tài)保持一致。第一半導(dǎo)體激光器12和第二半導(dǎo)體激光器38的耦合強(qiáng)度為注入光功率和輸出光的光功率之間的比值，通過調(diào)節(jié)可變衰減器和第一半導(dǎo)體激光器12和第二半導(dǎo)體激光器38的光功率計(jì)。通過調(diào)節(jié)第一 半導(dǎo)體激光器12和第二半導(dǎo)體激光器38的耦合強(qiáng)度和溫度值，使第一半導(dǎo)體激光器12和第二半導(dǎo)體激光器38互耦合。

在本實(shí)施例中，第一測(cè)試儀器20和第二測(cè)試儀器34的型號(hào)為Ando AQ6317C。

請(qǐng)參閱圖2，為可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)10中的光信號(hào)混沌輸出圖。圖2給出了基于方程組1數(shù)值計(jì)算得到的激光混沌時(shí)間序列及其對(duì)應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)曲線，其中圖2中的a1圖和圖2中的b1圖為γ＝0.425時(shí)的結(jié)果，從中可見該波形隨時(shí)間的演化十分復(fù)雜多變，顯示了此時(shí)系統(tǒng)處于復(fù)雜的混沌狀態(tài)中。進(jìn)一步的，圖2中的a2圖和圖2中的b2圖為圖2中的a1圖和圖2中的b1圖對(duì)應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)曲線，從該曲線可見，在時(shí)延為Δt＝±2τ＝±8ns處有明顯的尖峰，顯示了混沌信號(hào)所包含的延時(shí)信息。由于第一半導(dǎo)體激光器12和第二半導(dǎo)體激光器38中的對(duì)稱性，圖2中的a2圖和圖2中的b2圖的自相關(guān)函數(shù)曲線表現(xiàn)出了相似強(qiáng)度的延時(shí)信息。而圖2中的c1圖和圖2中的d1圖為調(diào)節(jié)γ＝0.059的結(jié)果，可見時(shí)間序列的演化仍然復(fù)雜多變。而自相關(guān)曲線圖2中的c2圖和圖2中的d2圖在時(shí)延為Δt＝±2τ＝±8ns處卻沒有明顯的尖峰，導(dǎo)致自相關(guān)函數(shù)曲線呈現(xiàn)出了δ函數(shù)的形貌。這些結(jié)果表明第一半導(dǎo)體激光器12和第二半導(dǎo)體激光器38混沌波形的延時(shí)信息得到了顯著地抑制。而且，第一半導(dǎo)體激光器12和第二半導(dǎo)體激光器38輸出的兩組混沌信號(hào)的延時(shí)信息均得到抑制，顯示了可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)10實(shí)現(xiàn)延時(shí)信息的并行消除的理論可能性。

請(qǐng)參閱圖3，為本實(shí)用新型可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)10中的光信號(hào)混沌時(shí)間序列函數(shù)圖。從這些曲線可以看出，互信息函數(shù)顯示出與自相關(guān)函數(shù)相似的結(jié)果。當(dāng)混沌時(shí)間序列包含延時(shí)信息時(shí)，互信息曲線在Δt＝2τ＝8ns處有明顯的尖峰(如圖3中的a1圖和圖3中的a2圖所示)。而當(dāng)延時(shí)信息得到有效抑制后，互信息函數(shù)曲線隨時(shí)延Δt的增加很快衰減到零值附近，而沒有尖峰出現(xiàn)(如圖3中的b1圖和圖3中的b2圖所示)。

請(qǐng)參閱圖4，為本實(shí)用新型可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)10中的光信號(hào)混沌輸出圖。圖5給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)10同時(shí)輸出的兩組激光混沌時(shí)間序列和對(duì)應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)分析。此時(shí)裝置的耦合強(qiáng)度κ≈0.089。首先，從圖5中的a1圖和圖5中的b1圖中可以看出，混 沌時(shí)間序列在亞納秒時(shí)間尺度快速而復(fù)雜地變化，從波形上很難直接看出系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特征。圖5中的a2圖和圖5中的b2圖給出了混沌信號(hào)對(duì)應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)曲線，從中可見，混沌信號(hào)在Δt≈±53.5ns處有明顯的延時(shí)信息峰，顯示了測(cè)量得到的激光混沌信號(hào)其實(shí)包含了強(qiáng)烈的延時(shí)信息。由于實(shí)驗(yàn)裝置器件尺寸的限制，實(shí)驗(yàn)裝置的耦合延時(shí)量τ比理論計(jì)算中的τ取值要大，但是圖5的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果顯示了與圖2的數(shù)值模擬結(jié)果良好的相似可比性。需要說明的是，結(jié)合理論模型，延時(shí)信息峰出現(xiàn)在時(shí)延Δt＝±2τ處。因此圖5中的a2圖和圖5中的b2圖顯示了此時(shí)可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)10的延時(shí)信息量約為26.75ns。這在混沌保密通信等實(shí)際應(yīng)用中，該延時(shí)信息量為可能的竊密者提供關(guān)鍵的動(dòng)力學(xué)參量值，從而對(duì)保密通信的安全構(gòu)成了威脅。

請(qǐng)參閱圖5，本實(shí)用新型可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)10的延時(shí)信息消除后的混沌時(shí)間序列和對(duì)應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)曲線圖。圖5為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的延時(shí)信息消除后的混沌時(shí)間序列和對(duì)應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)曲線。此時(shí)裝置的耦合強(qiáng)度κ≈0.006。從圖中可以看出，圖5中的a1圖和圖5中的b1圖的混沌時(shí)間序列演化復(fù)雜多變，顯示了第一半導(dǎo)體激光器12和第二半導(dǎo)體激光器38均處于混沌態(tài)中。而對(duì)應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)曲線圖5中的a2圖和圖5中的b2圖在時(shí)延Δt＝±2τ＝±53.5ns處有沒有可觀察的尖峰，導(dǎo)致該曲線呈現(xiàn)出幾乎完美的δ函數(shù)形貌。表明延時(shí)信息被成功地抑制到了背景噪音水平。

本實(shí)用新型的可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)10的具體實(shí)施，可能涉及到使用軟件，但所使用的軟件均是本領(lǐng)域技術(shù)人員最常用的軟件，并且，并非本專利申請(qǐng)權(quán)利要求所要保護(hù)的范圍。

本實(shí)用新型的有益效果為可并行消除延時(shí)信息的激光混沌系統(tǒng)10中激光混沌的延時(shí)信息可以被有效抑制，延時(shí)信息可被抑制到背景噪音水平，以純物理的方式實(shí)現(xiàn)激光混沌的延時(shí)信息抑制，成本低廉。

以上僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。